BR112016023263B1 - Ferramenta de escavação para uma cabeça de perfuração, sistema para determinação de uma carga mecânica de uma ferramenta de escavação, cabeça de perfuração para uma máquina de perfuração de túnel para escavação de montes, máquina de perfuração de túnel - Google Patents

Abstract

sensor de alta precisão para detecção de uma carga mecânica de uma ferramenta de escavação de uma máquina de perfuração de túnel. a presente invenção refere-se a uma ferramenta de escavação (100) para uma cabeça de perfuração (150) de uma máquina de perfuração de túnel (180) para escavação de montes (102), apresentando a ferramenta de escavação: um dispositivo de fixação de rolo cortador (104) montável na cabeça de perfuração (150) para o alojamento e montagem de um rolo cortador (106) rotativo; o rolo cortador (106), que é alojável ou alojado para a escavação de montes (102) no dispositivo de fixação de rolo cortador (104) especialmente de modo trocável; uma disposição de sensor (112) para a detecção de uma carga mecânica da ferramenta de escavação (100), especialmente do rolo cortador (106), sendo a disposição de sensor (112) executada como manga (177) disposta ao menos parcialmente no dispositivo de fixação de rolo cortador (104) e/ou no disco cortador (106) com ao menos um elemento (108) sensível à carga aí aplicado.

Description

[0001] A presente invenção refere-se a uma ferramenta de esca vação, a um sistema para detecção de uma carga mecânica de uma ferramenta de escavação, a uma cabeça de perfuração e a uma máquina de perfuração de túnel.

[0002] Uma máquina de perfuração de túnel é uma máquina, que é empregada para construção de túneis. Componentes de uma máquina de perfuração de túnel são uma placa de escavação com dispositivos de avanço e fixação, dispositivos para a implementação de medidas de apoio e escavação, dispositivos para a descarga de material, uma unidade de suprimento (corrente, ar comprimido, intemperismo, água), e dispositivo de transporte para material de explosão, meios de apoio e materiais de escavação. Uma cabeça de perfuração do lado frontal de uma máquina de perfuração de túnel é provida de ferramentas de escavação para escavação de um monte.

[0003] Em uma máquina de perfuração de túnel é importante, co mo base para um preciso controle dos componentes ou partes integrantes, conhecer a carga mecânica, que atua sobre ferramentas de escavação retidas em uma cabeça de perfuração. Em muitos casos, isso é necessário em ambiente poluído, sob a influência de fortes cargas mecânicas e, com isso, sob condições adversas.

[0004] A DE 20 2012 103 593 U1 da mesma depositante Mon- tanuniversitat Leoben descreve uma ferramenta de escavação para uma cabeça de perfuração de uma máquina de perfuração de túnel para a escavação de montes, apresentando a ferramenta de escavação um dispositivo de fixação de rolo cortador montável na cabeça de perfuração para alojamento e montagem de um rolo cortador, que é alojável ou alojado trocavelmente para escavação de montes no dispositivo de fixação de rolo cortador, e uma disposição de sensor para a detecção de uma carga mecânica da ferramenta de escavação, especialmente do rolo cortador, estando a disposição de sensor prevista no e/ou dentro do dispositivo de fixação de rolo cortador e/ou como parte do mesmo. Ainda que essa ferramenta de escavação seja de fácil uso e eficaz, sob determinadas condições operacionais há ainda espaço para aperfeiçoamentos no que concerne à precisão de detecção.

[0005] Outro estado atual da técnica mais genérico está descrito na DE 100 30 099 C2.

[0006] Constitui um objetivo da presente invenção disponibilizar um sensor de alta precisão para a determinação de uma carga mecânica, que atue sobre ferramentas de escavação retidas em uma cabeça de perfuração.

[0007] Esse objetivo é alcançado pelos objetos com as caracterís ticas conforme as reivindicações independentes. Outros exemplos de execução estão mostrados nas reivindicações dependentes.

[0008] Segundo um exemplo de execução da presente invenção, é provida uma ferramenta de escavação para uma cabeça de perfuração de uma máquina de perfuração de túnel para escavação de montes, apresentando a ferramenta de escavação um dispositivo de fixação de rolo cortador montável na cabeça de perfuração (especialmente com um mancal de alojamento) para o alojamento e montagem de um rolo cortador, que é alojável ou alojado para a escavação de montes no dispositivo de fixação de rolo cortador (especialmente no mancal de alojamento) - especialmente de modo trocável - (sendo o rolo corta- dor de preferência não acionado ativamente, mas sim simplesmente rolado pela rocha), e uma disposição de sensor (que pode apresentar ao menos um elemento sensível à carga, meios de união para transmissão de sinais de sensor a uma unidade de avaliação, etc.) para a detecção de uma carga mecânica da ferramenta de escavação, especialmente do rolo cortador, sendo a disposição de sensor executada como um dispositivo de fixação de rolo cortador e/ou manga disposta no rolo cortador com ao menos um elemento sensível à carga, aí aplicado.

[0009] Segundo um outro exemplo de execução da presente in venção, é provido um sistema para a detecção de uma carga mecânica de uma ferramenta de escavação (especialmente um rolo cortador) de uma cabeça de perfuração de uma máquina de perfuração de túnel para a escavação de montes, apresentando o sistema a ferramenta de escavação com as características acima descritas, e em que o sistema apresenta uma unidade de avaliação (por exemplo um processador), que é projetado para, com base nos sinais de sensor do ao menos um elemento sensível à carga, detectar uma informação (por exemplo montante e/ou direção de uma ou várias componentes de força atuando), que é indicativa da carga mecânica, que atua sobre o rolo cortador da ferramenta de escavação.

[0010] Segundo um outro exemplo de execução da presente in venção, é disponibilizada uma cabeça de perfuração para uma máquina de perfuração de túnel para escavação de montes, em que a cabeça de perfuração apresenta um corpo de perfuração (por exemplo cilíndrico) móvel rotativamente e translatoriamente com relação a um monte com uma pluralidade de suportes de ferramenta de escavação (especialmente do lado frontal ou do monte) para a retenção de ferramentas de escavação, e uma pluralidade de ferramentas de escavação com as características acima descritas, que são podem ser ou es- tão retidas, especialmente de modo trocável, na pluralidade de suportes de ferramenta de escavação.

[0011] Segundo ainda um outro exemplo de execução da presente invenção, é provida uma máquina de perfuração de túnel para escavação de monte, que apresenta uma cabeça de perfuração com as características acima descritas.

[0012] Segundo uma configuração exemplar, a medição de força quando da construção do túnel, ou melhor - durante uma operação de perfuração de uma cabeça de perfuração de uma máquina de perfuração de túnel por meio de ferramentas de escavação com rolos cortadores, pode ser realizada de modo extremamente preciso à medida que um ou vários elementos (como por exemplo tiras de medição de extensão) são integrados em uma manga oca, que pode ser montado em um lugar qualquer da ferramenta de escavação em um correspondente furo de manga no dispositivo de fixação de rolo cortador e/ou no rolo cortador. À medida que é empregado um corpo oco de preferência aberto em ambos os lados e, portanto, acessível, como base de alojamento para o alojamento de elementos sensíveis à carga, não apenas a posição da medição de carga na ferramenta de escavação pode ser livremente selecionada (basta apenas ser formado no local desejado um furo de manga, em que o manga de sensor seja alojado), mas sim a elasticidade de um corpo de manga oco de parede delgada pode ademais ser vantajosamente empregado para revolucionar precisamente a sensibilidade da medição em comparação com propostas convencionais.

[0013] Segundo uma modalidade de execução exemplar, é provida uma unidade de medição modular em forma de uma manga, que é executada para determinação de forças de corte exteriores de ferramentas para desprendimento de rocha. A manga pode ser posicionada diretamente no ambiente da ferramenta por união de força, de material e/ou positiva. Uma tal configuração tem a vantagem de que é possível uma associação direta do sinal de medição às cargas exteriores. Por uma disposição combinada de várias dessas disposições de sensor de mangas e elemento(s) sensível(eis) a carga é possível uma medição de distintas forças e suas direções em posições aproximadamente à vontade. Ensaios com sensores construídos em forma de manga (em lugar de forma de pino) e posicionados e otimamente alinhados para a aplicação de várias posições estratégicas mostram excelente performance com relação à linearidade (cerca de 3 - 5% e melhor), histere- se (muito pequena) e comportamento offset.

[0014] São ainda descritas configurações exemplificativas da fer ramenta de escavação, do sistema, da cabeça de perfuração e da máquina de perfuração de túnel.

[0015] Segundo um exemplo de execução, o dispositivo de fixação de rolo cortador pode apresentar um alojamento de rolo cortador e ao menos um elemento de fixação para fixação do rolo cortador no alojamento de rolo cortador e/ou para fixação do alojamento de rolo cortador na cabeça de perfuração, estando o ao menos um elemento sensível à carga da disposição de sensor separado (especialmente funcionalmente e espacialmente) do ao menos um elemento de fixação.

[0016] À medida que o posicionamento de elementos sensíveis à carga de uma disposição de sensor de uma ferramenta de erosão é desvinculado de elementos de fixação, como parafusos ou pinos, é obtida uma independência da medição de carga de posições predeterminadas de elementos de fixação. Ensaios indicaram que pela seleção específica de uma posição da manga de sensor ou também da orientação da manga de sensor relativamente ao rolo cortador pode ser obtido um significativo aumento da sensibilidade. Elementos de fixação devem, naturalmente, ter uma alta estabilidade mecânica e robustez e, assim, também uma configuração massiva, para poderem assumir sua função de fixação. Pelo contrário, a manga de sensor, que pode ser trocada se necessário (por exemplo, em caso de desgaste), pode ser deliberadamente executada como corpo de parede delgada, que acompanhe ele próprio (por exemplo, em forma de um desvio ou deformação) cargas externas, como ocorrem na cabeça de perfuração de uma máquina de perfuração de túnel.

[0017] Segundo um exemplo de execução, ao menos uma parte da manga pode ser executada como cilindro oco (especialmente isento de rosca) (por exemplo, como peça tubular), ainda especialmente como cilindro circular oco. Por exemplo, esse cilindro oco pode apresentar um furo contínuo axial, sendo então possível uma montagem de elementos sensíveis à carga na parede interna de grande área. Uma tal montagem de sensor não apenas é de montagem técnica simples, mas sim protege os sensores durante a operação também contra destruição, sem que então se tem de arcar com compromissos relativamente à precisão de comprovação. Conforme uma configuração alter-nativa à arquitetura de furo contínua, é também possível formar no corpo de manga essencialmente cilíndrico oco furos cegos axiais unilateralmente ou bilateralmente, que levam a áreas de montagem planas no interior da manga de sensor, em que possam ser aplicados os elementos sensíveis à carga então com pequeno recurso de montagem. Com uma área lateral exterior cilíndrica circular da manga de sensor é possível uma introdução da manga de sensor em um furo (de perfuração) redondo circular na posição de medição desejada da ferramenta de escavação.

[0018] Segundo um exemplo de execução, ao menos um elemento sensível à carga pode ser disposto em uma área interna de uma parede de manga. A parede interna da manga de sensor é um local apropriado para a montagem dos sensores, por exemplo por meio de colagem ou compressão em uma ranhura da parede. Na parede interna da manga de sensor, os elementos sensíveis à carga estão protegidos contra uma avaria, especialmente quando da introdução por impacto ou torção em um furo de alojamento de manga na ferramenta de escavação, sem perder então precisão de medição durante a operação de perfuração. A aplicação específica de elementos sensíveis à carga em um furo de alojamento de manga em determinadas posições axiais e/ou radiais da parede interna permite, assim, também a recepção de informação de carga dependente da direção.

[0019] Segundo um exemplo de execução, uma pluralidade de elementos sensíveis à carga pode ser disposta na área interna da parede da manga, defasados angularmente entre si. A aplicação angularmente defasada entre si de vários elementos sensíveis à carga ao longo de uma periferia da parede interna da manga de sensor permite a detecção de informação de força dependente da direção. Uma tal geometria é vantajosa especialmente para um pleno circuito de ponte, que pode garantir uma independência de temperatura dos resultados de medição (quando por exemplo quatro elementos sensíveis à carga, interconectados para uma ponte plena, se encontram à mesma tempe-ratura. Além disso, o tamanho de mangas de sensor típicos (por exemplo comprimento entre 10 mm e 100 mm, especialmente entre 20 mm e 60 mm, diâmetro entre 3 mm e 30 mm), especialmente entre 6 mm e 20 mm) é suficiente para dispor vários elementos sensíveis à carga em forma de tiras de medição de extensão precisos à prova de erro. Alternativamente ou complementarmente, é também possível uma disposição axial de vários elementos sensíveis à carga na parede interna da manga de sensor.

[0020] Segundo um exemplo de execução, a parede de manga pode ser executada tão delgada (por exemplo no máximo 2 mm, espe-cialmente no máximo 1 mm de espessura), que a parede da manga seja elasticamente deformável sob a influência de uma carga mecâni- ca quando da operação de perfuração com efeito sobre o elemento sensível à carga. A manga de sensor pode apresentar, por exemplo, um metal, como metal inoxidável, com uma espessura entre 0,05 mm e 2 mm, especialmente 0,1 mm a 0,2 mm. Com isso, a própria manga de sensor de parede delgada pode cooperar com o ou os elementos sensíveis à carga, pois também a manga de sensor é elasticamente deformada sob a carga quando da operação de perfuração da máquina de perfuração de túnel e movido em certa medida, o que por sua vez é transmitido aos elementos sensíveis à carga. A manga de sensor é então, portanto, não apenas suporte para os elementos sensíveis à carga, mas sim ela própria componente de sensor. Precisamente disso resulta a sensibilidade particularmente alta da ferramenta de escavação de acordo com a invenção.

[0021] Segundo um exemplo de execução, ao menos um dos ele mentos sensíveis à carga pode estar disposto em uma plaqueta da manga especialmente plana, que fica disposta em um segmento cilíndrico oco da manga e aplicada ao segmento cilíndrico oco. Segundo essa configuração, pode ser prevista uma plaqueta executada em uma só peça na parede da manga de sensor ou aí pressionada, separada, que serve para o alojamento de um ou vários elementos sensíveis à carga. Por exemplo, a plaqueta pode estar de tal maneira disposta nesse ponto de uma parede cilíndrica oca, que a mesma fica disposta centralmente entre extremidades da manga de sensor axiais, mutuamente contrapostas. Sobre essa plaqueta podem ser montados os elementos sensíveis à carga, de modo que os mesmos são dispostos de fato protegendo no interior da manga de sensor, mas também altamente sensíveis à cargas quando da operação de perfuração de uma máquina de perfuração de túnel. Experimentos indicaram que uma tal disposição de elementos sensíveis à carga conduz não apenas a uma pequena histerese e uma sensibilidade extremamente alta, mas sim também a uma longa vida útil da disposição de plaqueta de manga de sensor provida de elementos sensíveis à carga. A plaqueta pode ser conectada perifericamente continuamente diretamente à parede cilíndrica oca da manga de sensor ou contígua à mesma, para possibilitar uma desimpedida condução de força para um ou vários elementos sensíveis à carga na plaqueta.

[0022] Segundo um exemplo de execução, uma pluralidade de elementos sensíveis à carga pode ser disposta na plaqueta, radialmente angularmente defasados entre si. Por exemplo, quatro elementos sensíveis à carga podem estar montados à distância de respectivamente 90° entre si sobre a plaqueta, de modo que suas linhas de alinhamento formam uma cruz. Alternativamente ou complementar- mente, por exemplo pela provisão de várias plaquetas no interior da manga de sensor, também em posições axialmente distintas podem estar dispostos elementos sensíveis à carga, para refinar ainda mais a resolução local dos dados de carga recebidos.

[0023] Segundo um exemplo de execução, a plaqueta pode ser executada como membrana. Quando da configuração da plaqueta como membrana oscilante ou móvel, que quando da operação de perfuração acompanha as oscilações devido à aplicação de carga exterior, a sensibilidade da disposição de sensor é particularmente alta.

[0024] Segundo um exemplo de execução, dois elementos sensí veis à carga podem estar dispostos angularmente defasados entre si em uma área interna de uma parede de manga e dois outros elementos sensíveis à carga previstos separados da área interna. Com uma tal configuração, que é mostrada por exemplo na Figura 2, os dois elementos sensíveis à carga, dispostos na parede interna, podem principalmente proceder à medição de força, ao passo que os outros dois elementos sensíveis a força (que podem estar dispostos por exemplo soltos no interior da manga) podem ser previstos para a com- pensação de temperatura por via de um circuito em ponte. Segundo um outro exemplo de execução, particularmente preferido, quatro elementos sensíveis a força podem estar dispostos em uma plaqueta especialmente plana da manga distribuídos radialmente em torno de um eixo de manga, estando a plaqueta disposta em um segmento cilíndrico oco da manga e aplicada ao segmento cilíndrico oco.

[0025] Segundo essa configuração, que é mostrada por exemplo na Figura 3, todos os quatro elementos sensíveis à carga de um circuito em ponte plena estão montados na plaqueta (de preferência em uma área principal comum da plaqueta, ainda mais preferencialmente no padrão essencialmente em x ou em forma de cruz), estado dois dos elementos sensíveis à carga alinhados ao longo de uma primeira direção e os outros dois elementos sensíveis à carga ao longo de uma segunda direção de preferência ortogonal àquela. Uma tal configuração exibe propriedades particularmente boas relativamente a precisão de comprovação, linearidade, comportamento de histerese e robustez mecânica.

[0026] Segundo um exemplo de execução, quatro elementos sensíveis à carga podem estar dispostos radialmente angularmente defasados entre si em uma área interna de uma parede de manga. Um tal exemplo de execução é mostrado na Figura 4 e possibilita igualmente uma medição resistente a erros de forças atuantes por uma aplicação simétrica dos elementos sensíveis à carga na parede interna da manga de sensor. A blindagem resultante dos elementos sensíveis à carga na parede interna com relação ao ambiente é particularmente vantajosa sob as condições duras e ásperas da operação de perfuração.

[0027] Segundo um exemplo de execução, a ferramenta de esca vação pode apresentar ao menos uma manga disposta ao menos parcialmente no dispositivo de fixação de rolo cortador e/ou no rolo corta- dor com ao menos um elemento sensível à carga aí aplicado, podendo a manga e a outra manga estar disposta em distintas posições da ferramenta de escavação e angularmente entre si, especialmente ortogonalmente. É portanto vantajoso prever várias mangas de sensor na ferramenta de escavação, que possam fornecer informações complementares ou se complementando ou elevando a precisão da detecção. Especialmente a disposição de dois mangas de sensor angularmente entre si, de preferência ortogonal (isto é, a disposição dos eixos de manga com um ângulo de 90° em ter si) fornece não apenas informações complementas, mas sim permite também a detecção de distintas componentes de força, como por exemplo força rolante, força normal e força axial da disposição de rolo cortador.

[0028] Segundo um exemplo de execução, a manga pode estar disposta em um bloco de suporte de rolo cortador do dispositivo de fixação de rolo cortador. Um tal bloco de suporte de rolo cortador serve para a montagem do rolo cortador na ferramenta de escavação e pode, por sua vez, ser executado ele próprio para a montagem na cabeça de perfuração. Um tal bloco de suporte de rolo cortador oferece a possibilidade de executar um ou vários furos de alojamento de manga para alojamento de um ou várias mangas de sensor. Além disso, um bloco de suporte de rolo cortador, quando da troca do rolo cortador de rápido desgaste, pode permanecer continuamente montado na cabeça de perfuração, de modo que não são necessárias dispendiosa des-montagem e nova montagem de cabos de sensor quando da mera troca do rolo cortador.

[0029] Segundo um outro exemplo de execução, a manga pode estar disposta em um suporte de rolo cortador, especialmente uma peça em C, do dispositivo de fixação de rolo cortador. A peça em C do suporte de rolo cortador é uma peça de montagem, que apresenta em seção transversal essencialmente uma forma de C. Uma tal peça em C está disposta particularmente bem próxima do próprio rolo cortador e, portanto, como mostraram simulações de elementos finitas, é particularmente sensível à cargas atuantes ou fornece dados de sensor particularmente precisos para a determinação altamente sensível das forças atuando sobre a ferramenta de escavação durante a operação de perfuração.

[0030] Segundo um exemplo de execução, a manga pode estar disposta como parte de um eixo de rolo cortador. A geometria do tipo manga de sensor é predestinada a ser empregada em uma perfuração axial do próprio rolo cortador, para poder detectar dados de força altamente precisos nessa posição. Quando da troca do rolo cortador, a manga pode ser facilmente retirada ou extraída do eixo de manga e inserido em novo rolo cortador. Com isso também a nova montagem da manga de sensor quando da troca de um rolo cortador (por exemplo devido a desgaste) é possível com meios simples.

[0031] Alternativamente ou complementarmente também é possí vel implementar a manga de sensor em um outro local do rolo cortador, por exemplo em um furo de perfuração em um segmento massivo de um anel de corte do rolo cortador.

[0032] Segundo um exemplo de execução, a ferramenta de esca vação pode apresentar ao menos um conduto de sensor para a condução de sinais de sensor, estendendo-se o ao menos um conduto de sensor continuamente do ao menos um elemento sensível à carga ao menos parcialmente por um lúmen da manga. A configuração da disposição de sensor do tipo manga com uma abertura de acesso ou duas aberturas de acesso possibilita conduzir com pouco recurso aduções e descargas de cabo aos elementos sensíveis à carga na manga de sensor e proteger o mesmo simultaneamente mecanicamente contra o ambiente. Isso é uma significativa vantagem da solução de acordo com a invenção, pois sob as ásperas condições predominantes du rante a operação de uma máquina de perfuração de túnel, é garantida também na operação de longo tempo uma confiável disponibilização de sinais elétricos dos elementos sensíveis à carga.

[0033] Alternativamente a uma adução de sinal e/ou energia por cabo é também possível uma comunicação sem fio do ou dos elementos sensíveis à carga com um dispositivo de avaliação ou controle, por exemplo por meio do emprego de transponders como por exemplo RFID-Tags.

[0034] Por um rolo cortador se entende no âmbito deste pedido especialmente um corpo rotativo, que é executado para a remoção de rocha por corte. De preferência, o rolo cortador é um disco, que pode ser chamado também de cinzel rolante. O anel exterior de um disco pode ser chamado de anel de corte. Um disco não é acionado ativamente, mas sim rola na frente da escavação. Uma outra configuração a título de exemplo de um rolo cortador é um cinzel com verrugas, que é um corpo rotativo com saliências do tipo verrugas, e que é empregado por exemplo para a descarga de rocha muito dura (por exemplo para escavação de platina).

[0035] Segundo um exemplo de execução, o ao menos um ele mento sensível à carga pode ser executado como tira de medição de extensão. Uma tira de medição de extensão é um dispositivo de medição para detecção de deformações de dilatação, que já a pequenas deformações altera sua resistência elétrica e, assim, pode ser empregado como sensor de dilatação. Por exemplo, uma tira de medição de extensão pode ser colada na manga ou fixada à mesma de outra maneira, de modo que pode se deformar sob carga na operação da ferramenta de escavação. Essa deformação ou dilatação conduz à variação da resistência da tira de medição de extensão. Um correspondente sinal elétrico pode ser detectado como sinal de sensor e avaliado. Uma tira de medição de extensão é um elemento sen- sível à carga econômico, que é particularmente bem apropriado para os requisitos em uma cabeça de perfuração, pois é compatível com as ásperas condições ali dominantes. Uma alternativa à implementação de tiras de medição de extensão como elementos sensíveis à carga é o emprego também de um sensor piezo como elemento sensível à carga.

[0036] Segundo um exemplo de execução, a ferramenta de esca vação pode ser executada como ferramenta de escavação "WedgeLock" ou como ferramenta de escavação "Steckachsen". O técnico sabe que esses dois tipos de ferramentas de escavação são frequentemente empregados em máquinas de perfuração de túnel. Um exemplo de uma ferramenta de escavação "Steckachsen" é também chamado de "conical saddle system". Ferramentas de escavação "Steckachsen" são empregados por exemplo pela Firma Aker Wirth. Ferramentas de escavação "Wedge-Lock" são empregadas por exemplo pela Firma Herrenknecht ou pela Firma Robbins.

[0037] Segundo um exemplo de execução, entre a manga e o ao menos um elemento sensível à carga aí disposto no interior da manga permanece um espaço oco. Por exemplo, o volume oco do espaço oco permanecendo livre após a implementação do ou dos elementos sensíveis à carga pode importar em ao menos 10%, especialmente ao menos 30%, mais especialmente ao menos 50% do volume total da manga de sensor (isto é, volume oco mais volume de corpo sólido). Pela manutenção de um espaço oco no interior da manga após montagem do ao menos um elemento sensível à carga na manga é possível vantajosamente um certo movimento de compensação da manga e/ou do elemento sensível à carga sob ação de forças atuando na operação de perfuração. Além disso, a manutenção de um volume oco permite uma cômoda implementação de ligações de cabo e uma disposição solta de elementos sensíveis à carga individuais (por exemplo para formação de uma ponte plena invariável em temperatura) no interior da manga e aumenta assim a liberdade de design quando da configuração da disposição de sensor.

[0038] Segundo um exemplo de execução, a manga pode ser for mada em uma só peça, de preferência em um só material, com o dispositivo de fixação de rolo cortador e/ou do rolo cortador. Por exemplo, a manga pode ser introduzida por solda ou solda forte em uma perfuração no dispositivo de fixação de rolo cortador ou do rolo cortador ou a manga pode ser executada de outra maneira não separável ou até mesmo integral com o dispositivo de fixação de rolo cortador ou o rolo cortador.

[0039] Segundo um exemplo de execução, a disposição de sensor pode apresentar quatro, especialmente precisamente quatro, elementos sensíveis à carga, podendo a unidade de avaliação ser projetada para determinar com base em sinais de sensor dos quatro elementos sensíveis a cada uma informação, que seja indicativa de uma força de compressão, uma força lateral e uma força rolante, que atuam sobre o rolo cortador. Uma tal configuração tem a vantagem de que os quatro elementos sensíveis à carga detectam informações de sensor parcialmente redundantes, que não apenas são indicativas para as três grandezas de medição - força de compressão, força lateral e força rolante - , mas sim possibilita sua determinação até mesmo superdeterminada. Assim pode ser obtida uma elevada precisão dos dados de medição, o que é de particular vantagem sob as ásperas condições de uma máquina de perfuração de túnel.

[0040] A seguir serão descritas detalhadamente configurações exemplificativas da presente invenção com referência às Figuras que se seguem.

[0041] A Figura 1 mostra uma máquina de perfuração de túnel com uma cabeça de perfuração, que é equipada com uma pluralidade de ferramentas de escavação segundo configurações exemplas da invenção.

[0042] As Figuras 2 a 4 mostram respectivamente uma vista espa cial de uma manga de sensor, um correspondente circuito em ponte como diagrama de circuito sobressalente e uma vista do alto da manga de sensor ou de uma plaqueta de sensor na manga de sensor de disposições de sensor de ferramentas de escavação conforme configurações exemplificativas da invenção.

[0043] A Figura 5 mostra uma seção transversal por uma ferra menta de escavação conforme uma configuração exemplificativa da invenção e mostra especialmente uma posição apropriada de uma manga de sensor de acordo com a invenção em combinação com elementos de fixação para a fixação de um rolo cortador em um dispositivo de fixação de rolo cortador de uma ferramenta de escavação conforme uma configuração exemplificativa da invenção.

[0044] A Figura 6 mostra o resultado de uma análise de elementos finitas relativamente à sensitividade de uma manga de sensor em distintas posições em uma ferramenta de escavação conforme uma configuração exemplificativa da invenção.

[0045] A Figura 7 mostra uma vista espacial de uma ferramenta de escavação conforme uma configuração exemplificativa da invenção, estando duas mangas de sensor dispostas ortogonalmente entre si e dispostas em uma peça em C de um dispositivo de fixação de rolo cortador.

[0046] A Figura 8 mostra uma vista espacial de uma ferramenta de escavação conforme uma configuração exemplificativa da invenção e ilustra especialmente posições de montagem e direções de montagem de duas mangas de sensor.

[0047] A Figura 9 mostra um diagrama, que mostra para os exem plos de execução de mangas de sensor indicadas nas Figuras 2 a 4 conforme configurações exemplificativas da invenção uma análise da linearidade do comportamento bem como do comportamento de histe- rese e da sensibilidade.

[0048] A Figura 10 é um diagrama, que mostra a sensibilidade de comprovação significativamente melhorada de mangas de sensor de acordo com a invenção em comparação com uma disposição de sensor integrada em um elemento de fixação.

[0049] A Figura 11 mostra um rolo cortador de uma ferramenta de escavação conforme uma configuração exemplificativa da invenção com manga de sensor montada no eixo de rolo cortador conforme uma configuração exemplificativa da invenção.

[0050] A Figura 12 mostra uma vista esquemática de um rolo cor tador montado em um dispositivo de fixação de rolo cortador e três componentes atuando sobre o mesmo durante a operação de perfuração.

[0051] Componentes iguais ou semelhantes em distintas Figuras são providos de referências iguais.

[0052] A Figura 1 mostra uma máquina de perfuração de túnel pa ra escavação de um monte 102, em que já está introduzido um furo de perfuração 182. A perfuração ocorre de tal maneira que o furo de perfuração 182 conforme Figura 1 é sucessivamente alargado para a direita. O técnico sabe que uma máquina de perfuração de túnel 180 apresenta uma pluralidade de componentes. Por motivo de visibilidade, contudo, na Figura 1 está mostrada apenas uma cabeça de perfuração 150 com uma pluralidade (por exemplo 50 a 100) ferramentas de escavação 100. Dito mais precisamente, a cabeça de perfuração 150 apresenta um corpo de perfuração 152 móvel em rotação e translação com relação ao monte 102 por meio de um dispositivo de acionamento 184, em cujo lado frontal do lado dianteiro ou do lado do monte está disposta uma pluralidade de suportes ou alojamentos de ferramenta de escavação 154. Estes são distribuídos pela área frontal circular do corpo de perfuração 152, o que pode ser identificado apenas parcialmente na vista de seção transversal da Figura 1. Cada um dos suportes de ferramenta de escavação 154 é projetado para suporte de uma respectiva ferramenta de escavação 100. Expresso de outra maneira, uma ferramenta de escavação 100 pode ser montada em cada um dos suportes de ferramenta de escavação 154.

[0053] Cada uma das ferramentas de escavação 100 apresenta um dispositivo de fixação de disco 104 montável na cabeça de perfuração com um mancal de alojamento para alojamento e montagem de um disco 106 rotativo, que é igualmente parte da ferramenta de escavação 100.

[0054] Cada dispositivo de fixação de disco 104 tem um alojamen to de disco 194, que pode ser configuração como uma espécie de pote, que é configurado especialmente para alojar um disco 106 como módulo trocável. Parafusos de fixação 110 formam um outro componente do dispositivo de fixação de disco 104. Cada uma das ferramentas de escavação 100 apresenta, por conseguinte, vários parafusos de fixação 110, com os quais o disco 106 juntamente com mancal 126 e o alojamento de disco 194 estão fixados à cabeça de perfuração 150. O disco 106 tem um eixo 120, um corpo de disco 122, um anel de corte 124 com uma aresta de gume periférica e um mancal 126.

[0055] Quando um disco 106 está montado em um respectivo dis positivo de fixação de disco 104, uma aresta de gume 124 periférica do respectivo disco 106 no estado de rotação para a escavação do monte 102 pode engatar no último. O disco 106 está alojado trocável no mancal de alojamento do dispositivo de fixação de disco 104, ou - melhor dizendo - no alojamento de disco 194.

[0056] Cada ferramenta de escavação 100 contém uma disposição de sensor 112 para detecção de uma carga mecânica da correspon- dente ferramenta de escavação 100, mais precisamente expresso do disco 106. A essa carga mecânica está exposto o disco 106 durante a escavação do monte 102 pelo disco 106. Conforme o exemplo de execução mostrado na Figura 1, a disposição de sensor 112 está executada como manga 177 disposta no dispositivo de fixação de disco 104 (e em um exemplo de execução alternativo alternativamente ou com- plementarmente no disco 106) com cum elemento 108 sensível à carga aí disposto em forma de uma tira de medição de extensão. Na manga 177 está, portanto, integrada uma tira de medição de extensão como elemento 108 sensível à carga. Por meio de um cabo de união ou de um conduto de sensor 171 pode ser transmitido um sinal de sensor elétrico do elemento 108 sensível à carga a uma unidade de avaliação 128. Configurações exemplificativas da disposição de sensor 112 conforme Figura 1 estão mostradas nas Figuras 2 a 4.

[0057] A unidade de avaliação 128 pode ser parte de um proces sador ou de um controle da máquina de perfuração de túnel 180, que mede o elemento 108 sensível à carga e determina dele a carga mecânica, que atua sobre o correspondente disco 106.

[0058] A Figura 2 mostra uma manga 177, designada também co mo manga de sensor, para uma ferramenta de escavação 100 conforme uma configuração exemplificativa da invenção.

[0059] Segundo a Figura 2, a manga 177 é executada como corpo cilíndrico-circular oco com um furo de passagem axial contínuo, estando em uma parede interna 175 da manga 177 coladas como elementos 108 sensíveis à carga, duas tiras de medição de extensão radialmente defasadas entre si em 90 o. Esses dois elementos 108 sensíveis à carga serve ao alojamento de sinais de carga durante a operação da máquina de perfuração de túnel 180, quando a correspondente ferramenta de escavação 100 está montada na cabeça de perfuração 150. Quando da operação de uma máquina de perfuração de túnel, ocorre um forte aquecimento das ferramentas de escavação 100, especialmente na região dos discos 106. Para tornar a disposição de sensor 112 independente dessas influências de temperatura, ambos os elementos 108 sensíveis à carga, dispostos na parede interna 175 da manga 177 (por exemplo colados), que são designados na Figura 2 com "1" e "3", estão interconectados para um circuito em ponte com dois outros elementos 109 sensíveis à carga, do mesmo tipo (não mostrados na representação espacial da Figura 2, mas designados no esquema sobressalente com "R2" e "R4" e indicados separados à direita da parede interna 175). Esses outros dois elementos 108 sensíveis à carga servem então ao recebimento de dados de referência, que devem possibilitar a compensação de temperatura independente de força ou carga.

[0060] A Figura 3 mostra uma manga 177 de uma disposição de sensor 112 conforme uma outra configuração exemplificativa da invenção. Segundo essa configuração, no interior da parede interna 175 cilíndrica-circular oca está prevista uma plaqueta 173 do tipo membrana plana e elástica (por exemplo comprimida ou usinada de uma peça em bruto comum em conjunto com o cilindro oco), em que estão montados aproximadamente em forma de X ou cruz quatro elementos 108 sensíveis à carga, defasados entre si em direção radial em respectivamente 90°. Estes podem por sua vez ser executados como tiras de medição de extensão. A plaqueta 173 pode ser formada especialmente em uma só peça ou de um só material com o corpo da manga 177 cilíndrico-circular oco associado à parede interna 175, por exemplo, à medida que em um corpo cilíndrico pleno (por exemplo de aço inoxidável) em ambos os lados são formados furos cegos, que estão sepa-rados entre si em direção axial pela plaqueta 173. Segundo uma outra configuração, a plaqueta 173 pode, como componente separado, ser comprimido no interior de uma manga 175 cilíndrica-circular oca. Tam- bém conforme a Figura 3, os quatro elementos 108 sensíveis à carga podem ser interconectados para um circuito em ponto pleno para efeito de compensação de temperatura. Na configuração conforme Figura 3, os elementos 108 sensíveis à carga estão dispostos em posição sensorialmente sensível e mecanicamente estável no interior da manga 177 e, assim, com alta precisão de comprovação, seguramente protegidos contra destruição quando da montagem ou durante a operação da máquina de perfuração de túnel 180.

[0061] Segundo Figura 4, está mostrada uma manga 177, em que quatro elementos 108 sensíveis à carga estão dispostos todos juntos na parede interna 175 da manga cilíndrica-circular oca 177. Também aqui os quatro elementos 108 sensíveis à carga estão combinados para um circuito em ponte. Novamente, dois dos quatro elementos 108 sensíveis à carga servem para a recepção propriamente dita de sinais de medição, ao passo que os outros dois elementos 108 sensíveis à carga são executados para a compensação de temperatura por meio de interconexão em ponte plena.

[0062] A Figura 5 mostra uma seção transversal de uma ferramen ta de escavação 110 para uma cabeça de perfuração 150 de uma máquina de perfuração de túnel 180 conforme uma configuração exempli- ficativa da invenção. Especialmente na Figura 5 é mostrado que o dispositivo de fixação de disco 104 é formado aqui de um bloco de fixação de disco 504 para a montagem da cabeça de perfuração e uma peça em C 500 para alojamento e montagem de um eixo de disco 502 de um disco 106. A Figura 5 mostra, ainda, um parafuso de fixação 110, que serve à montagem dos componentes entre si. Aproximadamente em paralelo ao parafuso de fixação 506 e aproximadamente perpendicular ao eixo de disco 502 se estende uma manga 177 de uma disposição de sensor 112 da ferramenta de escavação 100, es-tando a manga 177 comprimida ou introduzida por rotação ou impacto em um furo de alojamento de manga, que está formado no dispositivo de fixação de disco 104. A Figura 5 mostra que, devido à formação massiva do dispositivo de fixação de disco 104, há uma grande medida de liberdade de escolha para um designer de ferramenta de escavação, para predeterminar a posição e a orientação da manga 177. Especialmente a independência da manga 177 do parafuso de fixação 110 aumenta essa liberdade de design. Além disso, pela provisão da manga 177 como elemento elástico de parede fina é possível uma atuação conjunta da própria manga 177 quando da detecção dos dados de carga, de modo que a própria manga 177 é parte do sistema sensível à carga e, assim, coopera sinergicamente com os elementos 108 sensíveis à carga (não mostrados na Figura 5).

[0063] A Figura 6 mostra o resultado de uma análise de elementos finitas, que foi realizada em um dispositivo de fixação de disco 104 de uma ferramenta de escavação 100. Com base na Figura 6 se pode verificar que em determinadas regiões do dispositivo de fixação de disco 104 podem ser verificadas sensibilidades ou picos de força particularmente altos, que aumentam a precisão de medição, quando nesses pontos é implementada uma disposição de sensor 112. Como, de acordo com a invenção, é prevista e posicionada uma disposição de sensor 112 independentemente de um elemento de fixação 110 (a ser aplicado em posições predeterminadas), pode-se obter assim uma precisão particularmente alta de uma carga detectada.

[0064] A Figura 7 mostra uma vista espacial de uma ferramenta de escavação 100 conforme uma configuração exemplificativa da invenção. No exemplo de execução conforme Figura 7, duas mangas 177, orientadas essencialmente ortogonalmente entre si, de uma disposição de sensor 112 estão introduzidas no interior da peça em C 500 de um dispositivo de fixação de disco 104. Os eixos das mangas 177 se estendem então respectivamente ortogonalmente a um eixo de rotação de disco. Verificou-se que com essa configuração podem ser recebidos dados de sensor especialmente sensíveis. Também a posição dos parafusos de fixação 110 está mostrada na Figura 7.

[0065] A Figura 8 mostra novamente uma representação explodida da disposição mostrada na Figura 7 e especialmente como as mangas 177 podem ser introduzidas em furos de alojamento de manga 800 respectivamente perfurados. O lúmen oco das mangas 177 não permite uma passagem de cabos elétricos para a provisão elétrica dos elementos 108 sensíveis à carga com energia e/ou sinais ou para recebimento de sinais dos elementos 108 sensíveis à carga, mas sim contribui também para a elasticidade da própria manga 177, o que é vantajoso para a precisão da medição sensora. Além disso, o lúmen da manga 177 oco, aberto bilateralmente, pode ser empregado para o engate de uma ferramenta, quando a manga 177 deve ser trocada (por exemplo por meio de desgaste).

[0066] A Figura 9 mostra um diagrama 900, do qual pode ser to mada a sensibilidade das disposições de sensor 112 mostradas nas Figuras 2 a 4. O diagrama 900 apresenta uma abscissa 902, ao longo da qual está registrado um sinal de medição recebido. Ao longo de uma ordenada 904 está registrada uma força F atuando sobre o respectivo elemento 108 sensível à carga. Uma curva 906 corresponde à disposição de sensor 112 conforme Figura 2, uma curva 908 corresponde à disposição de sensor conforme Figura 3 e uma curva 910 corresponde à disposição de sensor 112 conforme Figura 4. Primeiramente se pode verificar que, em todas as formas de execução, é especialmente pequena a histerese, isto é, a área encerrada pelas respectivas componentes de curva. É melhor o comportamento de histerese com a configuração conforme Figura 3. Além disso, se pode verificar uma boa linearidade de um sinal de medição obtido em reação a uma força aplicada, que é destacado especialmente nas disposições de sensor conforme Figura 2 e Figura 3. Finalmente, a sensibilidade da medição é muito alta, especialmente nas disposições de sensor conforme Figura 2 e Figura 3. A Figura 9 mostra que especialmente a disposição de sensor 112 conforme Figura 3 possibilita máxima sensibilidade com pequeno comportamento de histerese e alta linearidade.

[0067] A Figura 10 mostra um diagrama 1000, que novamente tem as abscissas 902 e as ordenadas 904. A isso se contrapõe um primeiro conjunto de curvas, que mostra as disposições de sensor 112 de acordo com a invenção com elementos 108 sensíveis à carga dispostos em uma manga 177 (curva 1002 se refere a um design correspondente à Figura 3, ao passo que curva 1004 se refere a um design correspondente à Figura 4). Comparativamente são mostrados dados de medição para três disposições de sensor convencionais, em que elementos sensíveis à carga foram integrados em um elemento de fixação (conjunto de curvas 1006). A Figura 10 mostra, impressionantemente, que com as disposições de sensor 112 de acordo com a invenção (curvas 1002, 1004) podem ser obtidas sensibilidades considera-velmente mais altas do que com uma integração dos elementos sensíveis à carga em um elemento de fixação, por exemplo um parafuso de fixação ou um pino de fixação (conjunto de curvas 1006).

[0068] A Figura 11 mostra uma vista do alto de um disco 106 de uma ferramenta de escavação 100 conforme uma configuração exem- plificativa da invenção. Segundo o exemplo de execução mostrado na Figura 11, a manga 177 é atravessada pelo eixo de disco (por exemplo comprimida) e recebe então dados de sensor em posição altamente sensível. Segundo uma forma de execução mostrada, dois elementos 108 sensíveis à carga estão dispostos ao longo de uma periferia do eixo de disco 502.

[0069] A Figura 12 mostra esquematicamente um disco 106, que fica alojado em um dispositivo de fixação de disco 104. Quando da operação de perfuração, a força normal FN atua sobre o disco 106, que está ainda exposto a uma força de rolamento FR, com a qual o disco 106 rola em torno do eixo 120, enquanto que escava rocha. Também uma força lateral Fs atua sobre o disco 106. Com uma disposição de sensor 112 de acordo com a invenção, é possível a detecção de todas as componentes individuais de força FN, FR e Fs, e isso com altíssima precisão.

[0070] Complementando, cabe assinalar que "apresentando" não exclui outros elementos ou etapas e "um" ou "uma" não exclui uma pluralidade. Além disso, cabe assinalar que características ou etapas, que foram descritas com referência a um dos exemplos de execução acima, podem ser empregadas também em combinação com outras características ou etapas de outros exemplos de execução acima descritos. Referências nas reivindicações não devem ser consideradas como restrição.

Claims (15)

1. Ferramenta de escavação para uma cabeça de perfuração (150) de uma máquina de perfuração de túnel (180) para escavação de montes (102), em que a ferramenta de escavação (100) compreende: um dispositivo de fixação de rolo cortador (104) montável na cabeça de perfuração (150) para o alojamento e armazenamento de um rolo cortador (106) rotativo, um rolo cortador (106), que é alojá- vel ou alojado de forma trocável com capacidade de rotação no dispositivo de fixação de rolo cortador (104) para a escavação de montes (102) e uma disposição de sensor (112) para a detecção de uma carga mecânica da ferramenta de escavação (100), sendo a disposição de sensor (112) executada como manga (177) aplicada ao menos parcialmente no dispositivo de fixação de rolo cortador (104) e/ou no disco cortador (106) com ao menos um elemento (108) sensível à carga aí aplicado, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de fixação de rolo cortador (104) apresenta um alojamento de rolo cortador (194) e ao menos um elemento de fixação (110) para a fixação do rolo cortador (106) no alojamento de rolo cortador (194) e/ou para fixação do alojamento de rolo cortador (194) na cabeça de perfuração (150), sendo o ao menos um elemento (108) sensível à carga da disposição de sensor (112) previsto separado do ao menos um elemento de fixação (110).

2. Ferramenta de escavação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que ao menos uma parte da manga (177) é formada como cilindro oco.

3. Ferramenta de escavação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que ao menos um dos ao menos um elemento (108) sensível à carga está disposto em uma área interna de uma parede de manga (175).

4. Ferramenta de escavação de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que uma pluralidade de elementos (108) sensíveis à carga está disposta radialmente angularmente defasada entre si na área interna da parede de manga (175).

5. Ferramenta de escavação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que ao menos um dos elementos sensíveis à carga (108) está disposto em uma plaqueta (173) da manga (177), que fica disposta em um segmento cilíndrico oco da manga (177) e aplicada ao segmento cilíndrico oco.

6. Ferramenta de escavação de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que uma pluralidade de elementos (108) sensíveis à carga pode ser disposta na plaqueta (173), radialmente angularmente defasados entre si.

7. Ferramenta de escavação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que dois elementos (108) sensíveis à carga podem estar dispostos angularmente defasados entre si em uma área interna de uma parede de manga (175) e dois outros elementos (108) sensíveis à carga previstos separados da área interna.

8. Ferramenta de escavação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que apresenta ao menos uma manga (177) disposta ao menos parcialmente no dispositivo de fixação de rolo cortador (104) e/ou no rolo cortador (106) com ao menos um elemento (108) sensível à carga aí aplicado, estando a manga (177) e a outra manga (177) dispostas angularmente entre si, especialmente ortogonalmente.

9. Ferramenta de escavação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que a manga (177) está disposta em um bloco de suporte de rolo cortador ou em um rolamento de rolo cortador (500) do dispositivo de fixação de rolo corta- dor (104).

10. Ferramenta de escavação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de que a manga (177) está disposta como parte de um eixo de rolo cortador (502).

11. Ferramenta de escavação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, apresentando ao menos um conduto de sensor (171) para condução de sinais de sensor, caracterizada pelo fato de que o ao menos um conduto de sensor (171) se estende a partir do ao menos um elemento (108) sensível à carga ao menos parcialmente por um lúmen da manga (177).

12. Sistema para determinação de uma carga mecânica de uma ferramenta de escavação (100), especialmente de um rolo cortador (106) de uma ferramenta de escavação (100), de uma cabeça de perfuração (150) de uma máquina de perfuração de túnel (180) para escavação de montes (102), caracterizado pelo fato de que o sitema compreende a ferramenta de escavação (100) como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 11 e uma unidade de avaliação (128), que é projetada para determinar, com base em sinais de sensor do ao menos um elemento (108) sensível à carga, uma informação, que é indicativa da carga mecânica, que atua sobre a ferramenta de escavação (100), especialmente sobre o rolo cortador (106) da ferramenta de escavação (100).

13. Sistema de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a disposição de sensor (112) apresenta quatro elementos (108) sensíveis à carga, em que a unidade de avaliação (128) é projetada para determinar com base em sinais de sensor do ou dos quatro elementos (108) sensíveis à carga uma informação, que é indicativa para uma força de compressão (FN), uma força lateral (Fs) e/ou uma força de rolamento (FR), que atua ou atuam sobre o rolo cortador (106).

14. Cabeça de perfuração para uma máquina de perfuração de túnel (180) para escavação de montes (102), caracterizada pelo fato de que a cabeça de perfuração (150) compreende um corpo de perfuração (152) móvel rotativamente e translatoriamente com relação a um monte (102) com uma pluralidade de suportes de ferramenta de escavação (154) para suporte de ferramentas de escavação (100) e uma pluralidade de ferramentas de escavação (100) como definidas em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, que estão ou podem ser montadas na pluralidade de suportes de ferramenta de escavação (154).

15. Máquina de perfuração de túnel para escavação de montes (102), caracterizada pelo fato de que compreende uma cabeça de perfuração (150) como definida na reivindicação 14.

Images